一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置及安装方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置及安装方法。


背景技术：

2.风力发电机组属于大型回转机械，在生命周期内实现连续发出电能的同时也必须承受风力、离心力和重力等载荷。目前风电机组中最常用，同时也是最可靠的机械件连接方式是螺栓连接。由于风力发电机组的运行特性，承载件中的大多数螺栓都必须承受弯矩载荷的作用。
3.现代的风力发电机组大型化趋势明显，叶轮直径和额定功率的增加导致整机载荷也在不断提升。这对螺栓承载能力提出了新的要求，行业中螺栓断裂造成的事故层出不穷，比如叶根与轮毂连接的螺栓，是螺栓断裂发生次数最多的部位。
4.最直接的解决方案是提升螺栓本身的承载能力，但是这种方法成本高，效率低。风电行业内包括多家整机厂商和叶片厂商在内的企业都开展了螺栓受载状况的检测技术开发。这种方法复杂程度高，成本高，而且没有从根本上解决问题，一旦出现危险工况，并不能避免螺栓断裂。
5.螺栓断裂的根本原因是螺纹部分由于承受了附加弯矩造成的应力集中。如果不能避免螺栓的螺纹承受的弯矩载荷，那么就必须缓解螺纹的受载情况，避免局部应力集中。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种风力发电机组用的抗弯螺栓连接装置，其能够满足风力发电机组运行中特殊的受载需求。可以起到保护螺纹受载的作用，增加了关键机械零部件螺栓连接的可靠性。
7.本发明的另一目的在于提供一种风力发电机组用的抗弯螺栓连接装置的安装方法，简化安装难度，确保机组机械零部件连接的可靠性。
8.本发明的第三个目的在于提供一种风力发电机组，以解决常规风力发电机组中关键部件，如叶片和偏航的螺栓受载后易发生断裂的问题，造成风力发电机组不能正常工作，以及其他造成经济损失的问题。
9.为达以上目的，第一方面提供一种风力发电机组用抗弯螺栓连接，所述连接装置包含螺栓、紧箍件和被连接件；所述被连接件至少有两个，所述被连接件都预留有螺栓孔；所述紧箍件采用分体式结构，至少由两个部分组成；所述紧箍件能够包裹住所述螺栓的部分螺杆，至少有一个所述被连接件上设置有阶梯孔，所述阶梯孔包含大直径锥孔和小直径孔，所述小直径孔是所述螺栓孔的一部分，所述紧箍件能够放置在所述大直径锥孔中。
10.在进一步技术方案中，所述紧箍件设置在两个所述被连接件接触面附近；所述大直径锥孔的深度大于所述紧箍件沿着所述螺栓轴向的厚度。
11.所述螺栓是双头螺柱，可以通过螺母调节所述螺栓的预紧力。
12.在进一步技术方案中，所述紧箍件包裹住的所述部分螺杆是圆柱螺杆；所述大直径锥孔靠近两个所述被连接件接触面的剖面直径大于所述大直径锥孔另一个剖面的直径。
13.在进一步技术方案中，所述紧箍件与两个所述被连接件接触面之间设置有弹性元件。
14.所述螺栓是单头螺柱，可以通过螺母调节所述螺栓的预紧力，所述螺栓没有螺纹一端的螺杆为圆锥螺杆，剩余螺杆为圆柱螺杆。
15.在进一步技术方案中，所述大直径锥孔靠近两个所述被连接件接触面的剖面直径小于所述大直径锥孔另一个剖面的直径；所述紧箍件在所述螺栓承受预紧力后与两个所述被连接件都形成直接接触。
16.在进一步技术方案中，一个所述被连接件的螺栓孔是圆柱光孔，所述螺栓的圆锥螺杆能够部分或全部放置在所述圆柱光孔中。
17.第二方面，提供一种风力发电机组其包括，第一方面所述的抗弯螺栓连接装置。
18.第三方面，提供一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置的安装方法，其包括如下步骤：s1、将所述被连接件的所述螺栓孔对齐；s2、使所述紧箍件包裹在所述螺栓的圆柱螺杆上；s3、将所述紧箍件放入所述阶梯孔的大直径锥孔中，所述螺杆放入或旋合进所述小直径孔中；s4、通过所述螺母对所述螺栓施加预紧力，使得所述紧箍件与所述被连接件形成贴合，或者与所述弹性元件贴合。
19.本发明的有益效果是：通过放置在被连接件阶梯孔中紧箍件将螺栓的非螺纹部分包裹，当被连接件将弯矩载荷传递到螺栓上时，螺栓受拉变形，由于紧箍件的限制，螺栓与被连接件连接的端面所受弯矩载荷被大大降低，减少了应力集中，提高了螺栓连接的可靠性。
附图说明
20.图1为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置的示意图一；图2为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置示意图二；图3为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置紧箍件示意图；图4为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置阶梯孔方案对比图；图5为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置螺栓方案对比图；图6为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置安装效果示意图一；图7为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置安装效果示意图二；图8为本发明实施例的一种风力发电机组用抗弯螺栓连接装置安装步骤流程图。
21.附图标号说明：
1、螺栓，1.1、螺母，1.2、螺纹，1.3、圆柱螺杆，1.4、圆锥螺杆，2、紧箍件，2.1、紧箍件第一部分，2.2、紧箍件第二部分，3、被连接件，3.1、被连接件一，3.2、被连接件二，3.3、被连接件接触面，4、阶梯孔，4.1、大直径锥孔，4.2、小直径孔， 5、弹性元件，6、轴承。
22.值得注意的是上述附图是用于说明本发明的特征，并非旨在展示任何实际结构或反映各种部件的尺寸，相对比例等等细节信息。为了更清楚的展示本发明的原理，并且为了避免不必要的细节使本发明的原理变得模糊，各图中示例已经经过简化处理。这些图示对于相关领域的技术人员在理解本发明时不会带来不便，而实际的风力发电机组用抗弯螺栓连接装置可以包括更多的部件。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例的相关附图，对本发明实施例进行完整的描述。本专利描述的仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.如图1、图2和图3所示的风电机组回转支承连接方案（比如变桨回转支承或者偏航回转支承）剖视图，滚子轴承6位于转动圈和固定圈之间。抗弯螺栓连接装置主要由螺栓1、紧箍件2和被连接件3组成。被连接件3一般是两个——被连接件一3.1和被连接件二3.2，类似的方法可以应用到三个被连接件的实施例中。被连接件3都预留有螺栓孔，螺栓孔可以是光孔，也可以是带螺纹的螺栓孔。被连接件一3.1和被连接件二3.2需要形成配合，但是螺栓孔的孔径可以不一致。
25.紧箍件2采用分体式结构，可以采用金属材料制成，在一些实施例中，紧箍件由两个部分组成（如图3所示）——紧箍件第一部分2.1和紧箍件第二部分2.2。紧箍件2能够包裹住所述螺栓1的部分螺杆，且紧箍件2包裹住螺栓1的部分螺杆后，紧箍件第一部分2.1和紧箍件第二部分2.2之间保留一定的间隙。当螺栓受载（如横向力或弯矩）后，这些间隙给紧箍件第一部分2.1和紧箍件第二部分2.2发生弹性变形预留了空间。
26.被连接件一3.1和被连接件二3.2中至少有一个设置有阶梯孔4，阶梯孔4包含一个大直径锥孔4.1和小直径孔4.2。其中，小直径孔4.2本质是前述被连接件3预留螺栓孔的一部分。紧箍件2的尺寸和大直径锥孔4.1的尺寸形成一定的配合关系，使得紧箍件2能够放置在大直径锥孔4.2中。
27.上述技术方案的特点和新颖之处是：在被连接件预留螺栓孔的基础上开设一个大直径锥孔4.1，常规双头螺柱或者单头螺柱的光杆部分与螺栓孔不发生直接接触。本方案通过在大直径锥孔4.1中设置紧箍件2，螺栓1的部分光杆被紧箍件包裹其中，使得紧箍件2通过与大直径锥孔4.1的紧密贴合（通过大直径锥孔4.1和楔形原理实现）限制螺栓一部分光杆在受载后的形变。
28.上述技术方案的益处是：通过控制与被保护螺纹临近的螺栓光杆发生受载形变，进而大大降低被保护螺纹受弯矩载荷的作用，消除应力集中后的螺栓连接变得更加可靠。
29.大直径锥孔4.1的深度大于紧箍件2沿着螺栓1轴向的厚度，即紧箍件放入大直径锥孔4.1后，紧箍件2上表面与被连接件一3.1的下表面贴合后，紧箍件2的下表面与大直径锥孔4.1的地面之间一定存在空隙，特别是在螺栓1被施加预紧力以后。这种设置的原因是：
本方案的关键点是需要保证紧箍件2的周向表面与大直径锥孔4.1的周向贴合，为了不发生超静定问题，紧箍件2的上下表面只能控制一端贴合。
30.本发明提供两种连接装置的可行方案。第一种方案：如图1和图4左图所示，螺栓1采用双头螺柱，上下两端都带有螺纹1.2，被连接件一3.1和被连接件二3.2上预留的螺栓孔都带有螺纹。通过调节螺母1.1给螺栓1的施加预紧力。
31.如图3左图以及图1所示，大直径锥孔4.1靠近被连接件一3.1和被连接件二3.2接触面3.3的剖面直径大于大直径锥孔4.1另一个剖面的直径。也就是说，剖视图中，大直径锥孔4.1是一个“倒梯形”，梯形下面的边长比上面的边长短。如图4左图以及图1所示，紧箍件2包裹住的部分螺杆是圆柱螺杆1.3。
32.前面的描述中提到：本方案的关键点是需要保证紧箍件2的周向表面与大直径锥孔4.1的周向贴合，为了不发生超静定问题，紧箍件2的上下表面只能控制一端贴合。如图1所示，在一些实施例中，为了控制紧箍件2的上表面与被连接件一3.1的下表面贴合，紧箍件与两个被连接件接触面3.3之间设置有弹性元件5。在一些实施例中，弹性元件5可以是弹簧或橡胶。因为弹性元件5的存在，在通过调节螺母1.1给螺栓1的施加预紧力后，紧箍件2向上走的趋势，被抑制住了，保证了紧箍件2的周向表面与大直径锥孔4.1的周向贴合，也保证了紧箍件2对圆柱螺杆1.3的包裹。
33.本发明提供两种连接装置的第二种方案：如图2和图4右图所示，螺栓1是单头螺柱，上端都带有螺纹1.2，下端是圆锥螺杆，不带螺纹，剩余螺杆为圆柱螺杆1.3。被连接件一3.1上预留的螺栓孔带有螺纹，被连接件二3.2上预留的螺栓孔是光孔。
34.如图3右图以及图1所示，大直径锥孔4.1靠近被连接件一3.1和被连接件二3.2接触面3.3的剖面直径小于大直径锥孔4.1另一个剖面的直径。也就是说，剖视图中，大直径锥孔4.1是一个“正梯形”，梯形上面的边长比下面的边长短。所述紧箍件在所述螺栓承受预紧力后与两个所述被连接件都形成直接接触。
35.如图2和图6所示，被连接件3.2预留的螺栓孔是圆柱光孔，螺栓1的圆锥螺杆1.4可以部分放置在小直径孔4.2（圆柱光孔）中，在一些实施例里，圆锥螺杆1.4可以全部放置在小直径孔4.2（圆柱光孔）中。由于大直径锥孔4.1靠近被连接件一3.1和被连接件二3.2接触面3.3的剖面直径小于大直径锥孔4.1另一个剖面的直径。将紧箍件2放入大直径锥孔4.1时，需要使紧箍件2包裹在圆柱螺杆1.3，大直径锥孔4.1的尺寸和紧箍件2的尺寸需要形成配合。如果放入时紧箍件2包裹在圆锥螺杆1.4上，则会由于尺寸的原因无法放入。
36.如图6和图7所示，紧箍件2放入大直径锥孔4.1后，由于被连接件3.2的螺栓孔没有螺纹，即小直径孔4.2没有螺纹，调节螺母1.1时，螺栓1会自然向上运动（即向被连接件3.1运动），在螺栓1向上运动到一定程度后，由于紧箍件2、大直径锥孔4.1以及圆锥螺杆1.4的配合和限制，螺栓1开始承受预紧力。最后，被连接件一3.1和被连接件二3.2的连接完成。
37.第二种方案中，由于螺栓1的一端没有螺纹，在常规双头螺柱中存在的应力集中问题也消失了，从另一个角度巧妙的增加了螺栓1自身的抗弯能力，提高了螺栓连接的可靠性。
38.如图8所示，抗弯螺栓连接装置的安装方法包括如下步骤：
s1、将被连接件一3.1和被连接件二3.2的螺栓孔对齐；s2、使紧箍件2包裹在螺栓1的圆柱螺杆1.3上，将紧箍件2径向最大尺寸降低；s3、将紧箍件2放入阶梯孔4的大直径锥孔4.1中，螺杆1放入（方案二）或旋合进（方案一）小直径孔4.2中；s4、通过螺母1.1对螺栓1施加预紧力，使得紧箍件2与被连接件二3.2形成贴合，或者与弹性元件5贴合（方案一）。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一种方案、第二种方案或方案一、方案二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接、联接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。